近日，研究院高纯金属研究团队在国际知名期刊《Separation and Purification Technology》发表题为《Experimental study of deep impurity removal in the preparation of high purity tellurium by horizontal vacuum distillation》（水平真空蒸馏制备高纯碲过程中深度除杂的实验研究）的论文，系统介绍了团队在水平真空蒸馏制备高纯碲领域的最新研究成果。
Xu Z, Qiao S, Qiao J, et al. Experimental study of deep impurity removal in the preparation of high purity tellurium by horizontal vacuum distillation[J]. Separation and Purification Technology, 2025: 136199.
Zhipeng Xu a,b,c, Shuang Qiao a, Jinxi Qiao a,b,c,Xueyi Guo a,b,c, Qinghua Tian a,b,c,*
a School of Metallurgy and Environment, Central South University, Changsha 410083, China
b National and Regional Joint Engineering Research Center of Nonferrous Metal Resource Recycling, Changsha 410083, China
c Key Laboratory of Nonferrous Metal Resources Recycling in Hunan Province, Changsha 410083, China
通讯作者：
田庆华，中南大学教授
第一作者：
许志鹏，中南大学教授
随着红外探测、光伏器件及热电材料等高技术领域的快速发展，对高纯碲（Te）的需求日益迫切。高纯碲因其优异的光电、热电及导电性能，成为制备CdTe薄膜太阳能电池、Bi2Te3热电材料及探测器级CdZnTe单晶等高端器件的关键原材料。目前高纯碲的制备方法主要包括氧化还原法、区域熔炼法和真空蒸馏法，其中氧化还原法流程复杂且易造成污染，区域熔炼法虽能有效去除部分杂质，但对分配系数接近1的元素分离困难，且周期长、成本高。相较之下，真空蒸馏法因其流程短、无污染、绿色高效等优势，成为制备高纯金属的重要手段。然而，传统竖式真空蒸馏装置存在杂质回流及纯度分布不均等问题，且对Se、Zn、Mg等与碲饱和蒸气压相近的杂质元素去除效果仍不理想。为此，本文提出一种新型水平真空蒸馏（HVD）方法，结合理论计算与工艺优化，系统研究杂质元素的挥发与迁移行为，并创新性地引入“短时蒸馏-长时冷凝”（SCFD）策略，以实现高纯碲的高效、稳定制备，为高纯金属的深度净化提供新思路。
文章亮点
（3）该方法有效精简了从金属Ag到 MOD油墨的制备流程，AgOAc可直接作为MOD油墨原料，无需额外提纯处理。相比传统路线减少多步置换、酸溶及洗涤工序，有效提高了MOD油墨的生产效率，有望推动MOD油墨在柔性电路、智能穿戴等领域的应用。
（1） 开发了一种新型水平真空蒸馏设备，有效克服了传统立式蒸馏中杂质回流及纯度分布不均等问题；
（2） 创新提出“短时蒸馏-长时冷凝”新方法，通过控制蒸馏加热时间与冷凝加热时间的差异化组合，在优化工艺条件下实现了5N7–5N8级高纯碲的稳定制备，回收率达97.58%；
（3） 揭示了易挥发与难挥发杂质的分离机制，系统研究了典型杂质元素（如Se、Zn、Fe、Ni）在短时蒸馏-长时冷凝过程中的迁移与分布行为，为高纯金属的深度净化提供了新的调控策略。
图1 水平真空蒸馏装置示意图
本研究采用的新型水平真空蒸馏装置，采用“卧式炉管 - 三区石墨舟”结构布局。原料碲置于左侧蒸馏石墨舟内，经蒸馏加热区挥发为气相；金属蒸气沿石英管水平向右迁移，途经过渡石墨舟，最终在冷凝加热区的过渡石墨舟内沉积。装置全程维持 1×10−3 - 5×10−3 Pa 高真空，配合分子泵实现自由分子流状态。
区别于传统竖式蒸馏的核心优势在于：
（1） 气相迁移路径无筛板、无弯折，彻底杜绝杂质回流；
（2） 蒸馏区与冷凝区独立控温，可独立优化挥发速率与沉积选择性；
（3） 过渡区提供了杂质“二次分离”的物理空间，为短时蒸馏-长时冷凝（SCFD）工艺的实现奠定设备基础。
图2 （a）常压与5×10−3 Pa下的沸点对比；（b）饱和蒸汽压
图2为真空蒸馏提纯碲提供了核心的热力学依据。图中绘制了450 - 1000 ℃温度范围内碲及12种典型杂质元素的饱和蒸气压随温度的变化曲线。（1）易挥发区：Zn、Na的蒸气压曲线全程位于碲上方，尤其Zn和Na高出碲1–3个数量级，这意味着它们在蒸馏过程中将优先挥发，向冷凝端迁移；（2）难分离区：杂质Se的蒸气压曲线与Te高度重合，尤其在500 - 600 ℃工艺条件下内二者几乎无法通过蒸气压差异直接分离——这正是单次真空蒸馏难以将Se降至5N标准以下的根本原因，也为后文SCFD策略的提出埋下伏笔；（3）难挥发区：Fe、Ni、Cu、Cr等金属杂质蒸气压低于碲2 - 5个数量级，在优化蒸馏温度下基本残留在蒸馏渣中，去除难度较低。
图3 （a）SCFD对碲纯度的影响及（b）各位置典型杂质的迁移行为；（c）蒸馏石墨舟与（d）冷凝石墨舟在蒸馏30分钟和75分钟时的物质分布情况。
本研究在优化工艺条件（蒸馏温度525 ℃、冷凝温度300 ℃）下，将蒸馏加热时间控制为30 min、冷凝加热时间保持75 min，沿冷凝石墨舟5个等距取样点的碲纯度分布如图3（a）所示。SCFD方法将蒸馏加热时间限制在30 min，而冷凝加热时间保持75 min，整体纯度稳定维持在5N7 - 5N8，尽管产品极限纯度未超过6N，但批内均匀性得到显著提升。这与常规HVD工艺形成鲜明对比，在蒸馏温度525 ℃、冷凝温度300 ℃、保温时间75 min的常规条件下，碲纯度可达5N - 6N，回收率95.85%，但由于持续加热导致杂质持续挥发和气相迁移，所得产物沿冷凝舟轴向位置的纯度分布均匀性较差，局部区域存在杂质富集。SCFD工艺在蒸馏30 min即可使95%以上碲进入气相，此时大部分杂质仍滞留于蒸馏渣中，加热即停；而冷凝区继续保温75 min，为气相碲提供充分的迁移与有序沉积条件。
易挥发杂质Se、Zn的整体趋势呈现先降低后升高，在冷凝末端富集。这是因为3#位置位于冷凝加热器中心，温度最高，杂质迁移效率最高。也就是说，Se和Zn在温度场的作用下，主动向最有利的沉积位置迁移，3#点成为纯度的最高点、杂质含量的最低谷。难挥发杂质Fe呈现先降低后升高的趋势，这种现象可能是温度梯度的主导影响所致。在300℃冷凝温度下，该区域冷凝速率较慢，杂质迁移效率较高，此时碲蒸气裹挟着Fe颗粒未能完全沉积，最终沿轴向迁移至冷凝能力最弱的末端区域富集。Ni则呈现出逐渐增加的趋势，与Fe在尾端的分布趋势基本一致，原因与Fe的裹挟效应相同。
图4 （a） 原料杂质含量与SCFD装置3#位点杂质含量的对比；（b） 杂质去除率；（c） 石英管初级段；（d） 石英管杂质含量与原料杂质含量的对比。
图4直观呈现了SCFD工艺对痕量杂质的深度去除效果。原料碲中，Fe含量高达39.41 ppm，Cr为40.33 ppm；而经过SCFD工艺处理后，“Cr和Fe杂质含量均降至0.5 ppm以下，Ag含量低于0.2 ppm，其余杂质均低于0.5 ppm。15种杂质元素的含量均满足YS/T 817-2012高纯碲标准要求。
值得重点关注的是杂质Se的去除效果。Se的平均含量为0.384 ppm。由于Se与Te的饱和蒸气压曲线高度接近，常规单次真空蒸馏难以将Se有效分离至5N碲标准以下，是行业内公认的技术难点。SCFD方法通过“闪蒸”中断杂质连续供给、延长冷凝保温时间促进充分迁移，成功实现了对Se的高效脱除。处理后的杂质含量满足YS/T 817-2012标准要求。这意味着SCFD工艺在4N原料基础上，一步制备出5N7 - 5N8级高纯碲，且关键杂质Se、Fe、Cr等均得到深度净化。
（1）理论指导：通过计算碲及杂质元素的沸点、饱和蒸气压及平均自由程，明确了HVD过程中碲与杂质的蒸馏行为属于分子蒸馏范畴，确定了易挥发杂质（Se、Zn）、相近蒸气压杂质（Mg、Ca）及难挥发杂质（Fe、Ni、Cu）的分离可行性边界。
（2）工艺优化：在蒸馏温度525 ℃、冷凝温度300 ℃、保温时间75 min的优化条件下，常规HVD工艺可将碲纯度提升至5N–6N，回收率达95.85%，实现了4N原料向高纯碲的高效提纯。
（3）方法创新：针对常规工艺中保温时间过长导致残留杂质挥发、产物纯度均匀性差的问题，首次提出“短时蒸馏-长时冷凝”（SCFD）新方法。通过将蒸馏加热时间控制为30 min、冷凝加热时间保持75 min，在相同蒸馏/冷凝温度下，成功将碲纯度稳定控制在5N7–5N8区间，回收率提升至97.58%。大部分杂质平均含量低于0.5 ppm，其中关键杂质Se含量降至0.384 ppm，多数杂质去除率超过90%。
（4）杂质迁移机制：揭示了SCFD过程中两类杂质的差异化迁移行为——易挥发杂质Se、Zn的迁移效率受冷凝温度与冷凝保温时间显著影响，沿冷凝舟呈“先降后增”分布，最终富集于冷凝末端及石英管前端；难挥发杂质Fe、Ni受碲蒸气“裹挟”效应影响，随机冷凝于石墨舟内，并沿轴向向冷凝能力最弱区域迁移富集。
（5）工艺优势：本研究所提出的HVD设备及SCFD方法全过程无废水、废渣、废气产生，属于绿色清洁的物理提纯工艺。不仅实现了高纯碲的高效、稳定、均匀化制备，也为其他易挥发/难挥发金属的真空深度净化提供了可借鉴的技术路径。
田庆华，中南大学教授、博士生导师，“长江学者”特聘教授、国家重点研发计划首席科学家、国家优秀青年基金获得者。长期致力于高纯金属及半导体材料制备、复杂资源高效分离、二次资源循环利用等方面研究，主持国家重点研发计划、国家自然科学基金重点项目、国际科技合作专项、湖南省重点研发计划及企业科技攻关项目26项。出版学术专著5部，发表SCI/EI论文100余篇，授权国家发明专利90项，获国家科技进步二等奖2项，省部级科技进步一等奖7项。
许志鹏，中南大学教授、博士生导师，湖南省芙蓉计划青年人才、湖南省优秀青年基金获得者。主要从事高纯金属材料制备、稀贵金属高效分离提取等方面研究，主持国家重点研发计划课题、国家自然科学基金面上项目、国家自然科学基金青年项目及企业科技攻关项目等项目16项。出版学术专著1部，以第一/通讯作者在Separation and Purification Technology、Hydrometallurgy、Minerals Engineering等期刊发表学术论文30余篇，授权国家发明专利56项；获省部级一等奖3项。
乔爽，中南大学冶金与环境学院2025级博士研究生。曾获得一等学业奖学金、优美科奖学金，中南大学优秀学生、资源循环研究院优秀硕士、博士。获得全国大学生冶金科技竞赛特等奖、一等奖等10余项学科竞赛奖励，已发表SCI论文3篇，在投2篇，发明专利2项；曾担任资源循环科技创新协会会长、重冶所研究生第一党支部副书记；作为学生负责/参与人参加国家重点研发计划等纵横向课题3项。致力于真空蒸馏提纯碲的基础理论与工艺研究。
（一审：乔爽； 二审：秦雯琦； 三审：李 栋）
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